复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器

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1、单级放大器直流偏置分压电路电流镜电路单级放大器共源放大级源跟随器共栅放大级共源共栅放大级 分压电路电阻分压：提供简单的直流电压偏置VDDM1R1R2 Iout DDVRR RV 21 20 2 21 221 THDDoxnout VVRR RLWCI 电阻值小，则电流大，面积小。反之，则电流小，面积大。输出电压受电阻的相对值影响。受Vdd的影响，当Vdd改变时，Vo也改变。若Vgs-Vth很小时，尽管Vo很精确，但Vth和迁移率随工艺而改变，使得输出电流很不精确。Vo 分压电路二极管分压 电阻值太大，为节约面积，用MOS管栅源短接代替电阻有源电阻。因为栅源短接，MOS管总是在饱和区 2 222

2、1 THDS THGSoxnout VV VVLWCI DTGSDS IVVV 2VdsId ACDC 分压电路G DVSVgm bsmbVg or若0bsV mom omout grg rVVg VivR 111 若0bsV dsmbm ggg 10010 可忽略Dmg1 S 分压电路M2M1Vo=VDS1二级管分压电路：M2采用PMOS,消除体效应。21 DD II DDDSDS THTHDSDSo VVV VVVVV 21 122121 例： 2525 21 /1025.1,/105.2 ,1,1,5 VACVAC VVVVVV oxpoxn THTHDD LWAIVVo /,10,3计

3、算要求 5113105.22110 12151 LWLWID 取： 5,1 10,2 LW LW 分压电路同理可得： ,10/162 LW取： 10,16 22 LW 5,8 22 LW结论： 212 TGSox VVCILW 给定电压和电流，确定MOS管的宽长比例：给定参考电流。通过一个MOS二极管得到偏置。 a) 输出电压和VDD没有关系。而和参考电流有关。 b) 面积减小30ua Vo=3V5V 电流源电路概念：假定有一个精确的参考电流源，电流镜电路可以将 这个参考电流精确地复制。 Iref IoutM1 M2 1211 121 DSTHGSoxnref VVVLWCI 222 2 12

4、1 DSTHGSoxnout VVVLWCI 211 GSGSDS VVV refoutLWLWrefout DSDSrefout IILW LWII VVLW LWII 21120 1212 11 精确程度取决于匹配。 电流源电路等效电路： mg1 22 gsm vg2gsv 2gsr i xv没有电流流过1/gm02 gsv outdsxout Irivr 12 例：VVkrds 5.0,1002 若AkVIout 5100/5.0 outout Ir 1小信号输出阻抗：增加输出阻抗提高精确程度。 电流源电路IrefM1 I2M2 I3M3M5 M6 M4I4利用一个精确的参考电流产生模拟

5、电路中的所有电流偏置例：若所有MOS管均在饱和区， 求M4的漏电流。 133 LW LWII ref refref ILW LWLW LWILW LWII 54135434 确定Iout和Iref之间的放大因子。所有晶体管栅长相同，以减小源漏边缘扩散引入的误差。 放大器的基本概念放大器的输入输出特性在一定信号范围内可表示为： .2210 txatxaaty在一个足够窄的范围内：x的变化很小 txaaty 10 输出随输入增量变化是线性的 txaty 11a是增益。 模拟电路的八边形法则：增益、速度、功耗、电源电压、线性度、噪声、输入输出阻抗、最大电压摆幅八种性能参数相互牵制，导致设计成为多维优

6、化问题。 优化的折中方案。 共源放大器电阻负载： M1的栅源之间输出电压信号Vin，通过NMOS的跨导放大，在漏极得到一个小信号电流。电流通过负载电阻产生电压输出。 输入栅源电压，输出栅漏电压共源放大。两种分析方法：RDM1Vin Vout大信号分析：考虑Vin从小到大变化a)当。， DDoutDTHin VVIVV 0b)当THinDSoutTHin VVV，VVV M1 饱和 共源放大器VinVoutVth Vin1 THinoutoutin DTHinoxnDD DDDDout VVV,VV RVVLWCV RIVV 1 221c)当 THinout VVV M1 在线性区 Doutou

7、tTHinoxnDDDDDDout RVVVVLWCVRIVV 221d)当Vin足够高，THinout VVV DDonD ononDDDDTHinoxn DDout VRR RRRVRVVLWC VV 11 共源放大器饱和区增益：对饱和区方程求导。 Dm DTHinoxninoutV Rg RVVLWCVVA 若代入饱和区公式时，考虑沟道长度调制效应，则： Dom Do DominoutV /Rrg Rr RrgVVA 结论：增益和跨导gm、输出阻抗成正比。 VDm AR,ggm随Vin线性上升，因此增益是非线性的。 共源放大器小信号分析： 0/ oD oinm rR VVg oDmino

8、 /rRgVV 很容易得到增益： Do DomoDmV Rr Rrg/rRgA 输出阻抗：输入为零时，在输出加电压激励，得到电流。inV inmVg or i DR oV D,roDinoin R/rRVV，V o 00 共源放大器理想电流源负载：M1Vin VoutI1假定I1是理想电流源，M1处在饱和区。DR omV rgA 称为晶体管的“本征增益”，代表单个晶体管能达到的最大增益。一般：3010 omrg问题：Vout=？ outTHinoxn VVVLWCI 121 211 outin ,V,V 0 共源放大器二极管负载：采用NMOS负载，存在体效应。M1Vin VoutM2利用小信号

9、分析，对M2： 1 111 222 mmbmD gggR 22 mbm gg 1 1 211 mmDmV ggRgA Doxnm ILWCg 2 1 121LW LWAVAv决定于M1和M2的W/L之比，是恒定的。电路的线性度高。 共源放大器NMOS二极管负载的大信号分析：VinVoutVth1Vdd-Vth2 21, THDDoutTHin VVVVV a)当b)当,1THin VV M1、M2 饱和 222 2112121 THoutDDoxn THinoxn VVVLWC VVLWC 2211 THoutDDTHin VVVLWVVLW 对Vin微分可得Avc)当A ,1THoutin

10、VVV M1进入线性区。 共源放大器二极管负载：采用PMOS负载，不存在体效应。M1Vin VoutM2忽略沟道长度调制： 21 211 LW LW ggRgA pn mmDmV a)例：pnVA 2,10 2121 50210 LWLWLW LW M1的W/L太大，寄身电容增加，影响电路速度。 共源放大器b)分析：将Av用另一种形式表达（和无关）effDm VIg 2 1 211 2221 THin THoutDDTHGS THGSmmV VV VVVVV -VVggA 当Vin一定时，Veff1恒定。说明Vout有一定的电压限制，增益上升，摆幅下降。 VoutGS AVV 2c)考虑inV

11、 inmVg 1 ds1r i 2dsr oV2/1 mg 2121 /1 oominmo rrgVgV 2121 /1 oommV rrggA 共源放大器M1Vin VoutM2 Is在M2边上并联一个恒流源，M2 的电流将下降，跨导下降，增益提高。取： 212121 44 LW LWggA pnmmV 143 Ds II pnVA 2,10 221 5.128100 LWLWLWa)在相同增益条件下，降低了MOS管的W/L比。b) I2 减小，Vgs2减小，Vout的摆幅提高。 共源放大器电流源负载：M1Vin VoutM2Mb VbIref对共源放大器，有DmV RgA VD AR但电阻

12、和二极管负载的电压摆幅受到限制。用电流源代替电阻，如图： 21 / ooout rrr 21 / oomV rrgA a) MOS管的输出阻抗很大。长沟道器件可以提高增益。 Vo ArL , 共源放大器b)对M2，若I是恒定值，当W2 增加时，Veff2下降，Vds2可以很小，Vout的摆幅很大。一般：22 effeff VLWVI mVVV effdsat 300200 但是，当L2 、W2 同时增加时，则M2的寄生电容值增加。c)对M1，对给定的I值：,21 2effVI ,21 Dm Ig 11 mgLW effVLW 1摆幅增加。 共源放大器带源极负反馈的共源级：想法：共源级的增益正比

13、于gm，gm随Vgs的变化明显， 导致电路的线性度下降。M1Vin VoutRD Rs Vin经过Rs的分压，只有一部分落在Vgs上，造成gm随Vin的变化不明显，提高电路的线性度。从电流方程推导增益：DDDDout RIVV DmDinDinoutV RGRVIVVA Id随Vin的增加缓慢，而不再是平方律关系 共源放大器推导Gm：inGSminGSGSDinDm VVgVVVIVIG SDGSin RIVV SmSGSDGSin RgRVIVV 11 smmm RggG 1 1 smmsms RGgRGR 11, 提高线性度的代价是，增益下降，摆幅下降。 共源放大器利用小信号等效电路可推导

14、出同样结果，特别是考虑和的一般情况。oIinV sinm VVg sVorsR smbVg推导Gm：输出接地，加输入电压，得到输出电流。 smbossinmo VgrVVVgI sso RVI Sombo SoSoinmo RIgrRIRIVgI osmbms ominom rRggR rgVIG 1 共源放大器Gm随Vin变化的讨论：a) Vin很小时，M1 导通DmVmmsm RgAgGRg ,1b) Vin增加时，sm DmVsmmm Rg RgARggG 1,1 SDVsmms RRARGgR ,11c) Vin很大时，计算Av的等效方法：从漏极结点看到的电阻除以源极通路上 （Vin=

15、0）的总电阻。sm Dv Rg RA 1 共源放大器源极负反馈使输出阻抗增加：等效图中忽略了Rd。考虑输出阻抗：输入接地，输出加激励。0inV sinm VVg sVorsR smbVg I outV ss RIV smbmro VggII osmbmsout rIRggIIRV sombmoosmbmsout RrggrrRggRr 11一般， 1 ombm rgg osmbmout rRggR 1输出阻抗提高了 倍。 smbm Rgg 共源放大器考虑和一般情况下的增益。inV sinm VVg sVor sR smbVg outVDR Doutss RVRVI outDss VRRV ou

16、tDsmboutDsinmDoutro VRRgVRRVgRVI out DsoutDsmboutDsinomoutDo soroout VRRVRRrgVRRVrgVRr VrIV 0 共源放大器考虑和一般情况下的增益。 sombmsoD DominoutV RrggRrR RrgVVA 重写上式： outm outD outDm osmbmsD osmbmsDosmbms omV RG rR rRG rRggRR rRggRRrRggR rgA 111辅助定理：在线性电路中，电压增益为Gm： 输出与地短接时的等效跨导。Rout：输入电压为零时的等效输出阻抗。outmV RGA 共源放大器例

17、：恒流源负载：VoutM1Vin Rs osmbms omm rRggR rgG 1: osmbmsoutout rRggRrR 1恒流源的输出阻抗无穷大，Rd可忽略结论：Av和Rs无关。om outmV rg RGA 因为Io恒定，流过Rs的电流变化为零，导致Rs上的电压没有变化，等效为：0sR 源跟随器电路结构：Vout源跟随器，或共漏放大器，其特点为：M2Vin M1 a)能驱动较小的输出电阻。例，共源放大器的输出跟一个源跟随器。b)电压放大倍数1，是电压缓冲器。c)输入和输出电平转换。大信号分析：当VinVth+Vdsat时，M1 截止。 THinoutin VVV，MV 导通1,因为

18、体效应，Vth随Vout而改变，因此，Av 1，非线性 源跟随器计算增益：inV o1 VVg inm oV1or 2or oVgmb等效电阻1/gmb os mboo oinm VG g/rr/V VVg 1 2011 1 11 1gg g 11m bm 1 m 1 211 111 1 mboom msm minoutV grrg gGg gVVA 源跟随器计算输出阻抗：0inV o1 VVg inm oV1or 2or oVgmb oI 2111 ooooombomo rVrVVgVgI 112111 1111 mbmoombmout ggrrggR 直观的：11o2o1m b1m 1 1

19、r/r/g1/g1 mbmout ggR 源跟随器考虑负载电阻RL，则：Lmbmb /Rgg 11 Lmbm mV Rgg gA 11 1 LmbmLmbmout Rgg/Rg/gR 1111 1111 比较共源级和源跟随器，若m 1L g1R a)共源级：11 LmV RgAb)源跟随器：50111 .RggA LmmV 源跟随器并不是必须的驱动器。 共栅放大器电路结构： 在共栅级中，信号从MOS 管的源极输入，漏极输出。栅极接地，在交流分析中，栅极等效接地。 共源级和源跟随器中，信号都是从MOS 管的栅极输入，因此电路的输入阻抗大。而共栅级的输入阻抗小。直流分析：假设Vin从Vdd下降。a

20、)当b)当 DDoutTHbin VVMVVV 关断。1, outDin VIMV，打开。1,饱和。很高，1MVout c)当 outDGSin VIVV，1,M1最终进入线性区共栅级结构更适合于电流放大。M1 VbRd VoutVin 共栅放大器等效电路分析：。，当ins VVR 10。，设DDoo gRgr 11 outD outinoinmbm Vg VVgVgg 放大倍数： Do ombminoutV gg gggVVA 用电阻表示： oD DombmoD DDombm Do ombmDo ombmV rR RrggrR RRrgg Rr rgggg gggA 111 1 共栅放大器1

21、 omDo rgRr，当 DmDmbm o DombmoD DombmV RgRgg r RrggrR RrggA 11结果和书上结论一致。a)放大倍数是正值。b)体效应使增益变大了。c)当 DR ombmombmoD DombmV rggrggrR RrggA 11DDo RRr 共栅放大器输入电阻：代入： outoinombm outinoinmbmx VgVggg VVgVggI inDo ombmout Vgg gggV Doombmin DoombmDo Dombmxx gggggr ggggggg ggggVI 11 11/。，设DDoo gRgr 11 。，当xins VVVR

22、10 共栅放大器用电阻表示： oDmbm oDombmDoombmin rRgg rRggggggggr 11 1111结论：a)体效应使输入阻抗降低。b)当0/ oDDo rRRr，mbmmin gggr 11或在忽略沟道长度调制的情况下，从M1源极所看到的输入阻抗相同。c)当 inoD rrR只有在漏端负载阻抗很小时，共栅级的输入阻抗才会较低。d)一般，minoD grrR 2 共栅放大器例：M1得到输入电压变化V，通过50的传输线传送。a)在低频条件下，两种接法的增益DmoutmD RVgVVgI 11 DmV RgA 两种接法的增益相同。b)在结点X处的反射最小条件：在M2看到的阻抗为

23、50 501 mbmin ggr调节M2的尺寸和偏置。 共栅放大器考虑Rs时的增益：Vin VinRs rin inininins VgVVG Vin insVinins inin Ag gGAVgG gV 代入: Dso RRr、 DsoSombm DombmV RRrRrgg RrggA 1和共源级负反馈电路相比：mbmm ggg 增益略高一些。若忽略:mbo gr、D smmDmin insV RRggRgg gGA 1反相和正相之差。 共栅放大器共栅级输出阻抗：0inV sinm VVg sVorsR smbVg I outV和源极负反馈共源级的情况相类似。 Dsombmoout RR

24、rggrr /1 共源共栅放大器电路结构：是共源级和共栅级的级联。M1是输入器件，将Vin 转换为成正比的电流。M2是共源共栅器件，I1=I2，共源共栅结构的偏置条件：若M1饱和，若M1、M2饱和，则决定于M2栅极偏置 1THinx VVV 2GSbx VVV VVVVV VVVVVVVV THdsatGSb THinGSbTHinGSb 0.13.0 12 1212 2THbout VVV 又 VVVVVVV dsatGSinTHGSout 6.04.02122 共源共栅放大器思路：跨导不变，但X点的电压值相对稳定，输出阻抗增加。电压增益：M1的电流必定流过M2，跨导和共源级相同1mm gG

25、 电路可以看成负反馈共源级。输出阻抗为： sombmoout Rrggrr 1 12, osoo rRrr 21 122 1 oombm oombmoout rrgg rrggrr 1omrg结论：输出阻抗提高了 倍。 1ombm rgg 共源共栅放大器电压增益： 22121 21221 1omoomm oombmm outmV rgrrgg rrggg RGA 层叠的意义：a)输出的电压摆幅下降。b)屏蔽作用：上面的MOS管“屏蔽”了下面的管。使M1的漏极变化小。c)如图，三层共源共栅的增益上升，但最 小输出电压为三个过驱动电压之和。 共源共栅放大器例：提高增益的方法a)提高共源级输入器件的

26、L4L 221 THGSoxnD VVLWCI I不变，Veff增加一倍，摆幅下降。LrgLIILWCrg omDDoxnom 1,12 增益上升二倍。b)共源共栅结构增益增加 倍。omrg 2omV rgA Veff增加一倍，摆幅下降。 共源共栅放大器折叠式共源共栅（folded-cascode） 在共源共栅集中输入器件将电压信号放大为电流信号加到共栅器件的源端。因此，输入器件和共源共栅件可以是不同类型的MOS器件。 如图，M1是输入器件， PMOS M2 是共源共栅器件， NMOS 显然，必须提供二路偏置电流，功耗增加了。 分析：当Vin，Id1，Id2，Vout a) Vin和Vout的

27、电平是相近的。b)增益和输出阻抗的计算和套筒式（telescope）相同，略小一些。 共源共栅放大器大信号的直观分析： 假定Vin从电源电压下降。当。off，MVVV THDDin 1112 IID DDDout RIVV 1当 饱和1 1，MVVV THDDin 21 21112 , 21 DDin THinDDoxpD IIV VVVLWCII 当 时，M2 的电流将最终为零。 这时，M1线性。11 IID 1111 2 LWC IVVV oxpTHDDin 小结讨论了单级放大器的电路结构介绍电路的大信号和小信号特性的直观分析方法，近似推导了电路的增益和输入输出阻抗。讨论了通过增大电压放大器的输出阻抗以得到高增益的方法。 MOS的近似阻抗。 mout gr 1 DSoout Irr 1Vb VbRs osmbmout rRggr 1mout gr 1 Vb2Vb1 111 oomout rrgr